Крахмал является наиболее распространенным источником углеводов в растениях и является старейшим полисахаридом, встречающимся в природе. Это продукт процесса фотосинтеза в растениях, накапливающий химическую энергию солнца в разных частях растений, включая листья зеленых растений, семена, плоды, стебли, корни и клубни большинства растений. При этом люди являются наиболее значимыми бенефициарами используя крахмалопродукты в фармацевтике, химической, пищевой и других отраслях.
Крахмал представляет собой полимерную молекулу, состоящую из молекул глюкозы с шестью углеродными кольцами с молекулярной массой, варьирующейся от 104 до 107 дальтонов (г/моль) и производится как дискретные гранулы с различной морфологией у разных растений.
Крахмал образуется в хлоропластах зеленых листьев и амилопластах семян, плодов и клубней.
Источники крахмала включают зерновые злаки, такие как кукуруза, пшеница, сорго, рис, клубни и корнеплоды, такие как маниока, картофель, тапиока, батат и т.д., которые являются и источниками пищевых углеводов.
Помимо естественной полезности в качестве пищи, этот полисахарид получил широкое распространение в различных отраслях промышленности, таких как в текстильной промышленности для придания жесткости тканям, в пищевой промышленности в качестве добавок и загустителей, среди прочего, в фармацевтической промышленности в качестве добавки и многое другое. 
В последнее время используется в качестве лекарственного носителя, а также в косметической и бумажной промышленности.
Использование крахмалопродуктов
Крахмал используется либо в его нативной форме, либо в модифицированной форме.
Нативный крахмал относится к полисахариду в его естественном, неизмененном состоянии, полученному из растения, в то время как модифицированный крахмал — это тот, в котором определенные свойства были модифицированы или изменены в соответствии с желаемыми спецификациями. В своем естественном состоянии крахмал непригоден для многих промышленных применений, главным образом из-за его плохой растворимости и также его неспособности выдерживать промышленные условия, такие как высокие температуры.
Следовательно, модификации производятся не только для изменения физико-химических свойств крахмала и повышения его технологической ценности, но и для достижения желаемых качеств в готовой продукции.
Состав крахмала
Структурно крахмал представляет собой полисахарид, состоящий из глюкозы (моносахарида), блоки, соединенные α-D-(1-4) и α-D-(1-6) связями. Молекула крахмала состоит из двух основных типов полимеров, а именно амилопектина и амилозы.
- Амилопектин состоит из линейных цепочек глюкозных звеньев, соединенных α-1,4-гликозидными связями, и представляет сильно разветвленный в положениях α-1,6 небольшими цепочками глюкозы с интервалом 10 нм вдоль оси молекулы, составляющий около 70-85% общего крахмала.
- Амилоза, с другой стороны, представляет собой линейную цепочку α-1,4 глюканов с ограниченными точками разветвления в положениях α-1,6. Однако существуют исключения из этого правила в отношении композиций глюканов (соотношение крахмалов амилоза/амилопектин).
Размер и форма гранул крахмала зависят от их ботанического происхождения. Например, размер гранул рисового крахмала составляет около 3-8 мкм, в то время как картофельный крахмал колеблется от 15 до 100 мкм.
Гранулы крахмала имеют очень сложную структуру, возникающую в результате различий в их компонентах.
В дополнение к амилозе и амилопектину, крахмал также содержит другие неуглеводородные компоненты, такие как жиры (до 1%), остатки белка (0,4%) и относительно небольшое количество (<0,4%) минералов (кальций, магний, фосфор, калий и натрий), из которых фосфор занимает важное положение.
Фосфор является неуглеводородным компонентом крахмала, присутствие которого оказывает значительное влияние на функциональные характеристики, такие как прозрачность и вязкость крахмальных паст. Он присутствует либо в виде моноэфирфосфатов, либо в виде фосфолипидов (пропорционально связанных с содержанием амилозы в крахмале), причем последние значительно снижают эти характеристики. На такие свойства, как растворимость и пропускаемость гранул крахмала, также влияет природа фосфора, присутствующего в крахмале. Сообщается, что присутствие фосфора в форме моноэфирфосфатов усиливает эти свойства в гранулах крахмала.
Химические свойства крахмала
Способность к набуханию и растворимость
Одной из характеристик крахмала является способность его гранул поглощать воду. Поглощение воды приводит к набуханию гранул крахмала, способствуя разделению фаз амилопектин-амилоза и потере кристалличности, что, в свою очередь, способствует вымыванию амилозы в межзеренное пространство. Нагрев молекул крахмала в избытке воды приводит к разрушению его полукристаллической структуры, позволяя воде молекулам воды взаимодействовать (посредством водородных связей) с гидроксильными группами, расположенными на молекулах амилозы и амилопектина. Эта ассоциация вызывает набухание и увеличивает размер гранул и растворимость. Степень этого взаимодействия зависит от соотношения амилозы и амилопектина, поскольку способность гранул крахмала к набуханию зависит от содержания в них амилопектина.
Желатинизация крахмала
Крахмал при нагревании в избытке воды проходит переходную фазу, известную как желатинизация. Желатинизация крахмала полезна в определенных отраслях промышленности, особенно в текстильной промышленности и производстве гидролизованного крахмала. Как правило, желатинизацию крахмала можно определить как превращение крахмала из кристаллической, гранулированной формы в дисперсное и аморфное состояние.
Желатинизация происходит, когда вода диффундирует в гранулу, которая затем существенно набухает из-за гидратации, вызывая потерю кристалличности и молекулярного порядка. Температура желатинизации гранул крахмала варьируется в зависимости от источника крахмала.
Ретроградация
Ретроградация относится к молекулярному взаимодействию, возникающему после желатинизации и охлаждения крахмальной пасты, то есть перекристаллизации цепей. Это можно описать как тенденцию крахмала возвращаться в нерастворимое, агрегированное или кристаллическое состояние при хранении при температуре выше температуры его стеклования. Этой характеристике крахмала способствуют как низкая температура (0-5°C), так и высокая концентрация крахмала. Это свойство является одной из причин несвежести хлебобулочных изделий при хранении и является обычно неблагоприятным с точки зрения качества продуктов питания.
Модификация крахмала и фармацевтическое применение
Изобилие, способность к биологическому разложению и экономичные характеристики крахмала делают его важным сырьем для многих промышленных процессов. Однако определенные свойства крахмала делают его нежелательным для всех применений.
Большинство нативных крахмалов ограничены в своем непосредственном применении из-за плохой растворимости в воде и сильной склонности к разложению и ретроградации. Крахмалопродукты также проявляет высокую нестабильность по отношению к изменениям температуры, рН. Поэтому крахмалы часто подвергаются физическим, химическим или ферментативным модификациям. Эти модификации выполняются для развития специфических свойств, таких как растворимость, гидрофобность, термостойкость, прозрачность пасты, механической прочности, устойчивости к замораживанию, оттаиванию, стойкости к ретроградации, текстуре, адгезии и устойчивости к высоким температурам, используемым в промышленности.
Несколько факторов влияют на усвояемость нативного крахмала и, следовательно, на возможное фармацевтическое применение. К ним относятся соотношение амилопектин: амилоза, длина цепи амилопектина, степень кристалличности и межмолекулярная ассоциация в гранулах. Модификация обычно влияет на все эти свойства, и выбор модификации может привести к индивидуализации и гибкости в использовании крахмала.
Методы модификации крахмалопродуктов, используемые в настоящее время
Физическая модификация
Физические процедуры обычно делятся на термические и нетепловые.
Термическая обработка включает использование тепла для изменения соотношения амилопектин: амилоза и длины цепи. Это обычно приводит к получению хорошо растворимых вспомогательных веществ, и при воздействии таких температурных условий происходит желатинизация, улучшающая набухаемость и растворимость. Таким образом, крахмал, полученный таким способом, легко пластифицируется и может быть использован в производстве антимикробных пленок, а также в качестве супердизинтеграторов.
Термическая обработка включает предварительную желатинизацию, термовлажностную обработку, отжиг, сухой нагрев и обработку осмотическим давлением.
Предварительная желатинизация включает приготовление крахмалов при определенной температуре и сушку, чтобы обеспечить незначительную или полную молекулярную повторную ассоциацию.
Термовлажностная обработка состоит в нагревании гранул крахмала при температуре выше температуры стеклования крахмала при относительной влажности 10-40% в течение 1-24 ч.
Химическая модификация
Это включает в себя введение новой функциональной группы в основу крахмала чтобы придать крахмалу уникальные свойства. Существует множество методов химической модификации, но наиболее актуальными являются кислотный гидролиз, сшивание, ацетилирование, двойная модификация, окисление и прививка.
Ферментативная модификация
Ферментативная модификация крахмала нацелена на амилопектин: длину и содержание амилозной цепи, а также молекулярную массу. Как правило, когда упомянутые переменные уменьшаются, модифицированный крахмал может быть использован для получения быстро высвобождающихся микро- и наночастиц. Модификация, однако, не улучшает набухаемость гранул крахмала и, как таковая, не может быть использована в качестве разрыхлителя.
Использование в фармацевтике крахмалов
Модифицированный крахмал успешно используется мо многих наполнителях участвующих в доставке лекарств в организме человека.
Модификация крахмала обеспечила ему некоторую контролируемую доставку как полимер глюкозы. В системе доставки лекарств крахмал положительно влияет на свойства распада и связывания лекарств. Впоследствии это может повлиять на скорость высвобождения.
Модифицированный фосфатом крахмал используется в фармацевтике для получения наночастиц оксида железа. Наночастицы оксида железа улучшают концентрацию лекарства и влияют на нацеливание с помощью магнитного поля.
Рисовый крахмал, модифицированный окислением используется в таблетированном препарате метронидазола. Было обнаружено, что крахмал придавал механизм контролируемого высвобождения благодаря его ферментативной устойчивости и устойчивости к рН, что приводит к медленному высвобождению с длительным эффектом.
Кроме того противомикробные препараты с высокомолекулярными крахмалами предотвращают выщелачивание и повышают эффективность применения.
Заключение
Роль крахмала продолжает диверсифицироваться. Фармацевтический потенциал модификации крахмала в системах доставки лекарств обоснован и спрогнозирован.
